引言

EMI/EMC 法規幫助保證電氣和電子設備用戶能夠可靠操作，同時確保用戶的人身安全。這些法規限定了允許的放射輻射，為了使產品保持在這些限制范圍內，設計人員投入了大量的時間和工作。本應用指南描述了可以用來確定不想要的輻射源的多種技術，特別是在通過成形測試或預一致性測試確定超限條件后。

許多公司采用專門的測試機構服務，來執行EMI/EMC 認證要求的實際一致性測試。測試機構可能屬于一家外部公司 （“測試機構”） 或內部 EMC 部門。大多數工程師采用優秀的設計慣例，最大限度地減少發生 EMI/EMC 問題的可能。即使有了準確的 EMI/EMC 仿真包，當前通常仍在設計和原型階段執行“預一致性測試”測量，也就是在產品發出進行一致性前，以識別和解決潛在的 EMI/EMC 問題。這些技術減少了產品在測試機構不能通過最終全面一致性測試的風險。

市場上有各種測試儀器調試技術，可以有效地找出影響一致性測試結果的輻射來源。在許多情況下，擁有時間相關RF測量功能的示波器，比 如 泰 克 4、5 或 6 系 列 MSO 及 SpectrumView 或 MDO4000 及其集成頻譜分析儀，可以大大加快調試速度。在其他情況下，實時頻譜分析儀如泰克 RSA306B，可以縮短找到根本原因的道路。本應用指南將考察其中部分調試方法。

如果產品未能通過一致性測試會怎么樣？

即使在采用了良好設計，選擇了優質元件，花時間認真表征產品之后，仍可能會出現 EMI 問題！圖 1 表明有一個峰值超出了這一特定標準的極限。正常情況下，我們在報告中還將獲得表格方式的信息 （ 圖 2）。

圖 1. 這份 EMI 測試報告顯示在 50 MHz 周圍發生問題。

圖 2. 這些數據顯示了圖 1 中在 49.9724 MHz 處發生問題，但這些數字無法令人相信其是精確的來源頻率。

理解 EMI 報告

乍一看，下面這樣的 EMI 報告似乎提供了與某個頻率上的問題有關的簡明信息。確定設計的哪個部分在該源頻率上運行，然后應用一些衰減以通過測試，這應該是一件簡單的事。在篩選設計，努力確定問題來源之前，必須了解測試機構怎樣生成這份報告。

圖 1 和圖 2 中的報告顯示了測試頻率、測得幅度、校準后的校正系數及調節后的場強。調節后的場強與規范進行對比，確定裕量或超出量。盡管報告中明確給出許多測試條件，但要考慮的某些重要事項可能還不是太明顯。

頻率范圍和測試點數：測試報告中給出的頻率根本不可能恰好就是 EMI 源的頻率。頻率范圍和測試點數可以幫助確定一致性測試頻率可能是 EMI 源實際頻率的接近程度。據國際無線電干擾特別委員會 （CISPR），在執行放射輻射測試時，必須根據頻率范圍，使用不同的測試方法。每個范圍都要求具體的解析帶寬濾波器和檢測器類型，如表 1 所示。

頻率范圍決定著濾波器帶寬，進而決定著解析關心的具體頻率的能力。

表 1. CISPR 測試要求隨頻率范圍變化，影響著頻率分辨率

檢測器類型：一般來說，測試機構要先完成峰值檢測，因為完成這項測試所需的時間最少。由于檢測器的特點 （ 參見側欄“常見的峰值檢測類型”），完成準峰值（QP） 掃描所需的時間要多得多。準峰值檢測采用測量加權，把更多的重點放在從廣義角度被理解為更“討厭”的信號上，因此檢測器類型可能會掩蓋輻射信號的絕對幅度。

方位角 / 距離：在執行掃描時，被測器件 （UUT） 可以放在轉桌上，從而可以從多個角度收集信息。這個方位角信息相當有用，因為它表明問題來自 UUT 的哪個區域。

EMI/EMC測試機構將在經過校準的RF艙中進行測量，作為場強指標報告測量結果，這使情況進一步復雜化。幸運的是，您不需要一模一樣地復制測試機構的情況，就能調試 EMI 測試失敗。在調試時，并不用使用高度受控的 EMI 測試機構中執行的絕對測量，而是可以使用測試報告中的信息，很好地了解生成報告使用的測量技術，在 UUT 周圍進行相對觀察，隔離輻射源，衡量補救效果。

常見的峰值檢測類型

可以使用簡單的峰值檢測器進行 EMI 測量。但 EMI部門或外部測試機構會根據應用的標準，來使用準峰值 （QP） 檢測器，因此您可能會想是否也需要準峰值檢測器。

EMI 部門或外部實驗室在開始測試時，一般先使用簡單的峰值檢測器執行掃描，找到超過或接近規定極限的問題區域。對接近或超過極限的信號，他們會執行準峰值測量。準峰值檢測器是 EMI 測量標準規定的一種專用檢測方法。它檢測信號包絡的加權峰值 （ 準峰值 ）。它根據信號峰值電平、持續時間和重復速率，來確定信號權重。信號發生頻率越高，與發生頻次低的脈沖相比，準峰值測量權重越高。使用準峰值檢測器的缺點在于，它要求外部駐留時間，因此要求的時間明顯要高于峰值檢測器。正因如此，設計人員最經常的重點是準峰值檢測器，以找到潛在問題或關心的頻率。

圖 3 顯示了來自 RF 信號發生器的一個恒定幅度的連續波 （CW） 信號。由于信號是連續的，持續時間和重復速率或信號不相關，但結果相同。在實踐中，峰值掃描可以顯示極限附近一個點，但準峰值掃描可能會由于持續時間短或信號稀少而產生低于極限的結果。

圖 3. 連續波 （CW） 信號峰值檢測和準峰值檢測對比，包括圖形格式和表格格式。圖形使用 EMCVu 預一致性測試軟件和泰克 RSA306B 頻譜分析儀生成。

準峰值結果一直小于等于峰值檢測，而永遠不會大于峰值檢測。因此為了節省時間，EMI 調試和診斷中可以使用峰值檢測。您不必準確到 EMI 部門或實驗室掃描的水平，因為一切都是相對的。如果實驗室報告顯示設計高出 3 dB，峰值檢測高出 6 dB，那么就應該進行修復，把信號降低 3 dB 或以上。

本應用指南中描述的示波器推薦用于針對性調試，其中采用了峰值檢測器。對預一致性測試掃描，RSA306B、RSA500、RSA600 和 RSA5000 實時頻譜分析儀及 EMCVu EMC 預一致性測試軟件支持使用準峰值檢測器進行 CISPR 或 FCC 放射輻射和傳導輻射掃描，同時也支持峰值檢測器。如需進一步信息，請參閱電磁干擾 （EMI） 和電磁兼容性 （EMC）。

我從哪里入手？

我們從 EMI 角度考察任何產品時，整個設計都可以視為一個能量來源和天線的集合。為識別EMI問題來源，我們必須先確定能量來源，然后找出這個能量是怎樣被放射的。EMI 問題的常見來源 * 包括：

● 電源濾波器

● 地面阻抗

● 信號回路不足

● LCD 輻射

● 元器件寄生信號

● 電纜屏蔽不良

● 開關電源 （DC/DC 轉換器 ）

● 內部耦合問題

● 金屬化箱體中的 ESD

雖然上面這個清單列出了 EMI 的部分常見來源，但肯定是不全的。為確定某塊電路板上的能量來源，工程師通常會使用近場探頭。在使用這類探頭時，我們必須記住信號傳播的基礎知識。

為確定特定來源及特定 EMI 問題核心的放射結構，我們可以考察被觀察信號的周期性和一致性。

周期性：

● 信號的 RF 頻率是多少 ？

● 是脈沖式的還是連續的 ？

可以使用基礎頻譜分析儀監測這些信號特點。

一致性：

● UUT 上哪個信號與 EMI 事件一致 ？

業內通常使用示波器探測 UUT 上的電信號。

考察 EMI 問題與電氣事件的一致性，無疑是 EMI 診斷中耗時最長的流程。過去，一直很難以有意義的方式，把來自頻譜分析儀的信息與來自示波器的信息關聯起來。4、5 和 6 系列 MSO 示波器上的 Spectrum View功能 （ 參見側欄：“Spectrum View”） 不再需要同步多臺儀器來進行 EMI 調試。

近場測量與遠場測量

圖 4 顯示了近場和遠場的行為，以及兩者之間的過渡區。我們可以看到，在近場區域，場可以從以磁場為主變成以電場為主。近場測量用于調試，因為它們允許設計人員確定能量來源，無需專門的測試站就可以執行。在遠場測量中，磁場與電場之比基本上是恒定不變的。

圖 4. 距信號源的距離，其中近場到遠場的區域變化與信號波長成正比 （ 與頻率成反比 ）。

圖 5. 遠場測量不僅依賴近場中能夠觀察到的活動，還依賴其他因素，如信號源、天線增益和測試條件。

但是，一致性測試是在遠場中執行的，從近場測量中預測遠場能量水平可能會很復雜。這是因為遠場信號的強度不僅取決于信號源的強度，還取決于放射機制及可能采用的任何屏蔽或濾波。根據經驗，我們要記住，如果我們能在遠場中觀察到一個信號，那么我們應該能夠在近場中看到相同的信號。然而，我們可能會在近場中觀察到一個信號，但在遠場中卻看不到這個信號。

圖 6. 構成信號的變化的電壓和電流產生電場和磁場。

近場探測

盡管一致性測試程序旨在生成絕對的經過校準的測量數據，但調試大部分是可以使用相對測量來執行的。

近場探頭本質上是天線，旨在撿拾磁場 （H Field） 或電場 （E Field） 變化。一般來說，近場探頭不會帶有校準數據，因為其響應與探頭到 UUT 和信號源的距離和方向高度相關，所以其本意是進行相對測量。

磁場探頭

磁場探頭采用不同的環路設計，環路平面應與電流流動方向成一直線，這樣環路就會與通量的磁場線相交。這樣，在搜索輻射時，探頭的位置通常令環路平面與電路板表面平行。環路尺寸決定著靈敏度以及測量區域，因此在使用這些探頭類型隔離能量來源時必須注意。近場探頭套件通常包括各種不同的尺寸，因此可以使用慢慢縮小的環路，來縮窄測量區域。磁場探頭都非常擅長識別電流相對較高的來源，如：

● 低阻抗節點和電路

● 傳輸線

● 電源

● 端接的導線和電纜

圖 7. 使磁場探頭與電流流動方向成一直線，令磁場線穿過環路。

電場探頭

電場探頭作為小型單極天線，對電場或電壓變化作出響應。在使用這類探頭時，必需讓探頭與測量平面保持垂直。在實踐中，電場探頭特別適合集中在特別小的區域，確定電壓相對較高的來源及沒有端接的來源，如：

● 高阻抗節點和電路

● 未端接的 PCB 軌跡

● 電纜

圖 8. 實際應用中的磁場探頭，說明了調試使用的方向。

圖 9. 令電場探頭與導體垂直，以觀察電場。

在低頻率上，系統中的電路節點阻抗可能變化很大，因此要求了解電路或實驗，確定磁場探頭或電場探頭是否會提供最高的靈敏度。在較高頻率上，這些差異會很大。不管是哪種情況，進行重復的相對測量都具有重要意義，這樣您才能相信準確表示了實施的任何變化導致的近場輻射結果。最重要的考慮因素是，對于每項實驗變化，近場探頭的位置和方向要一致。

Spectrum View：全新的頻域分析方法

4、5 和 6 系列 MSO 能夠查看模擬信號特點、數字定時、總線事務和同步的頻率頻譜。

Spectrum View 采用下一代 ASIC 技術，較傳統 FFT方法更好地解決了 RF 測量挑戰，包括：

● 可以使用用戶熟悉的頻譜分析控制功能 （ 中心頻率、頻寬和 RBW）

● 可以獨立優化時域顯示畫面和頻域顯示畫面

● 改善頻譜顯示畫面的更新速率

● 明顯改善頻域中可以實現的頻率分辨率

● 可以在波形視圖和頻譜視圖中同時查看信號，而不用分開信號路徑

● 可以簡便地考察頻域視圖怎樣隨時間變化及在整個采集中變化

● 可以使用 RF 相對于時間觸發功能，簡便準確地關聯時域事件與頻域事件

泰克 MDO4000 系列提供了類似的功能，但由于有一個專用頻譜分析儀輸入，所以增加了頻率范圍和動態范圍。然而，與 4/5/6 系列 MSO 相比，頻譜分析儀輸入只能用于 RF 分析。3 系列 MDO 還提供了一個內置頻譜分析儀，可以用于 RF 分析，但不能同時采集或查看頻率頻譜和時域波形。

圖 10. Spectrum View 可以在同一個屏幕上查看時間、頻率和幅度，并為每個域提供唯一的測量數據。

圖 11. 數字下變頻器采用定制 ASIC，通過泰克 4、5 和 6系列 MSO 中的獨立控制功能，同時查看波形和頻譜

案例分析：確定信號特點和一致性，確定輻射源

本案例分析將演示收集證據隔離 EMI 來源的過程。在對一種小型微控制器進行 EMI 掃描時，我們發現超限問題，140 MHz 中心周圍似乎有一個寬帶信號。我們使用 6 系列 MSO 上的 Spectrum View（ 圖 12），把一只磁場探頭連接到 RF 輸入上，從而可以確定能量來源的范圍。

圖 12. 測試設置在混合信號示波器上把模擬電壓相對于時間關系波形與獨立可調節的頻譜分析軌跡結合在一起。

確定磁場探頭的方向很重要，環路平面要與被評估的導體成一直線，這樣環路的位置可令通量的磁場線穿過通量。圍著 PCB 移動磁場探頭，可以確定能量來源的范圍。選擇一個孔徑更窄的探頭，就可以把搜索重點縮小到更小的區域內。

一旦確定潛在能量來源位置，就可以使用 RF 幅度相對于時間軌跡 （ 圖 13） 收集更多的信息。這條軌跡顯示頻寬中所有信號的積分功率相對于時間關系。在圖13 中，可以清楚地看到一個大的重復脈沖。在采集的記錄長度中移動頻譜時間，現在可以看到EMI事件（即以 140 MHz 為中心的寬帶信號 ） 與大脈沖直接對應。為測量脈沖重復周期，可以啟用測量標記，直接確定周期。這時，通過 Spectrum View，可以簡便地觀察瞬態輻射的持續時間和重復間隔。這些信息可能已經足以幫助設計人員確定原因，但我們還可以把這項調試工作再推進一步。

圖 13. 中心軌跡是來自磁場探頭的時域波形。頻譜視圖 （ 頂部 ） 提供了與波形 （ 橙色圈中 ） 下面藍色塊指明的頻譜時間對應的頻率成分。RF 幅度相對于時間關系軌跡 （ 底部 ） 顯示了一個重復的 RF 突發。

為積極識別 EMI 來源，現在要使用 6 系列 MSO 示波器上的另一條通道。保持相同的設置，現在可以啟用示波器的通道 1，瀏覽 PCB，查找與 EMI 事件一致的信號源。

在使用示波器探頭瀏覽信號一會兒后，我們找出了圖 14中的信號。在示波器顯示屏上，可以清楚地看到，我們連接到示波器通道 1 的信號可以與 EMI 事件直接關聯。這時，通過使用 4/5/6 系列 MSO 中的 RF 相對于時間觸發功能，在確認存在一致的通道 1 信號行為后在 RF 相對于幅度通道上建立觸發，可以在更長的時間周期內在實時采集中迅速確認輻射源特點。（ 圖 15）

圖 14. 使用無源探頭在通道 1（yellow） 上探測信號，發現一個與 RF （ 青色 ） 相關的信號。

圖 15. 在輻射 RF 能量上觸發 RF 幅度相對于時間關系，觀察一致的電氣事件。

總結

未能通過 EMI 一致性測試可能會使產品開發時間表陷入險境。然而，本文列出的調試技術可以幫助您隔離能量來源，從而可以制訂補救計劃。高效調試要求了解一致性測試報告及一致性測試和調試怎樣采用不同的測量技術。一般來說，它需要查找相對較高的電磁場，確定其特點，把場行為與電路行為關聯起來，確定輻射來源。

責任編輯：haq